DE3202546A1

DE3202546A1 - Gammathermometer fuer eine hochdruckumgebung

Info

Publication number: DE3202546A1
Application number: DE19823202546
Authority: DE
Inventors: Robert D. 20014 Bethesda Smith, Md.
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1981-01-29
Filing date: 1982-01-27
Publication date: 1982-08-05
Also published as: BE891896A; IT8267070A0; JPS57144430A; FR2498765A1; GB2092299A; SE8200341L; US4459045A; IT1154462B

Description

- 4 Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 11.

Die Erfindung betrifft im einzelnen Thermometer für Gammastrahlen oder Gammathermometer in der Hochdruckumgebung eines Druckwasserreaktors, insbesondere gemäss den Gammathermometern der FR-PS EN 7905739 vom 6. März 1979 der Inhaberin.

Die Gammathermometer sowohl der genannten als auch der herkömmlichen Bauart arbeiten nach dem Prinzip der Wärmefreigabe innerhalb eines inneren Körpers oder Heizkerns als Folge seiner Absorption von Gammastrahlen. Die auf diese Weise freigegebene Wärme wird längs kontrollierter Wärmeflussbahnen bis zu einer Wärmesenke übertragen. Ein derartiger Wärmefluss bedingt eine Temperaturerhöhung, die gemessen werden kann und die dem Absorptionsgrad der Strahlung im wesentlichen proportional ist. Die Messung der Temperatur erfolgt durch einen ein elektrisches Signal erzeugenden Detektor, z. B. ein Thermoelement, dessen Ausgangssignal von der linearen Proportionalität abweichen kann in Abhängigkeit von der Temperaturunempfindlichkeit der verwendeten wärmeleitenden Materialien und von der Wärmemenge, die sich längs Sekundärbahnen ausbreitet, die von den kontrollierten Hauptbahnen des Wärmeflusses abweichen. Es wurden Versuche durchgeführt zur Verhinderung einer unkontrollierten Ausbreitung der Wärme längs Bahnen auf Grund einer Infrarotstrahlung oder einer Leitung der Gase ausgehend vom heizenden Körper oder vom Detektor. Auf diese Weise werden durch Strahlung bedingte Wärmeverluste durch Wärmemessung auf begrenzte Temperaturbereiche beschränkt. Innerhalb von beispielsweise durch Leichtwasser moderierten Reaktoren werden die Temperaturen der Detektoren unter 450° C gehalten, so dass die Strahlung?Verluste einen vernachlässigbaren Bruchteil des Gesamtgrads des Wärmedurchsatzes darstellen. Jedenfalls verursacht eine Verringerung von durch Leitung von Gasen entstehenden Wärmeverlusten grössere Schwierigkeiten.

Beim Versuch zur Verringerung der Verluste durch Leitung von Gasen mittels der thermischen Widerstandszonen eines Gammathermometers wurde in diesen Bereichen ein Vakuum geschaffen, das sie ein hohes ünterdrucknivenau erreichen lässt. Jedoch gibt das Ausgangssignal des Gammathermometers dann eine Variation über der Zeit an. Folglich wurde in der thermischen Widerstandszone ein Füllgas mit geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet. Wenn man auch in diesem letzteren Fall ein stabiles Ausgangssignal erzielt, so geht doch durch die Wärmeleitung der Gase ein grosser Anteil an Wärme verloren. Bei Verwendung eines Füllgases zur Vermeidung einer sich über der Zeit verändernden Signaländerung bedingen ausserdem Veränderungen der Umgebungstemperatur eine unerwünschte Änderung des Ausgangssignals .

Es wurde bewiesen, dass die Verluste durch Leitung der Gase in Gammathermometern durch eine Verunreinigung durch gasförmigen Wasserstoff der thermischen Widerstandszonen bedingt sind, etwa der unter Vakuum gesetzten oder mit Gas gefüllten Kammern der herkömmlichen Gammathermometer oder auch der axialen Hohlräume der wärmeerzeugenden Körper der in der oben angegebenen Patentschrift beschriebenen Gammathermometer. Eine derartige Verunreinigung durch Wasserstoff resultiert aus der Verwendung von austenitischen nichtrostenden Stählen oder von Metalllegierungen auf der Basis von Chrom und Nickel, wie das Inconel, die die Moleküle des gasförmigen Wasserstoffs hindurchtreten lassen. Beim Vorliegen eines Feinvakuums sind diese Metalle ferner einem Entgasungsvorgang ausgesetzt, so dass die Vakuumzonen eines Gammathermometers in einem Reaktor sich schnell mit Molekülen von gasförmigem Wasserstoff beladen, was in drastischer Weise die thermische Leitfähigkeit der Unterdruckzone erhöht. Was die gasgefüllten Zonen eines Gammathermometers betrifft, so wird deren Wärmeleitfähigkeit ebenfalls merklich durch die Einführung von gasförmigem Wasserstoff verändert.

-S-

Ein zur Herstellung von Reaktorkernen laufend verwendetes Metall ist das Zircaloy, da es einen geringen Grad an schädlichem Einfangen von thermischen Neutronen aufweist. Das Zircaloy hat auch alle die zur Konstruktion des wärmeerzeugenden Kerns oder Körpers von Gammathermometern erforderlichen thermischen Eigenschaften, überdies lassen die oxidierten Oberflächen des Zircaloy den gasförmigen Wasserstoff verhältnismässig leicht hindurchtreten, wobei das Material selbst die.Wasserstoffmoleküle bei hohen Temperaturen absorbiert und Zirconhydrid entstehen lässt. Jedenfalls eignet sich das in Form einer ve_- hältnismässig dünnen Hülle oder Druckbarriere verwendete Zircaloy nicht für die langzeitigen Beanspruchungsbedingungen eines Druckwasserreaktors auf Grund seines verhältnismässig geringen strukturellen Widerstands.

Hauptaufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Gammathermometers, bei dem die durch Wasserstoff erfolgende Verunreinigung seiner thermischen Widerstandszonen durch die Verwendung von Zircaloy verringert ist, wobei gleichzeitig diese Zonen gegen den Druck geschützt bleiben, der sich aus der Umgebung des Reaktors ergibt, ohne dass die durch eine derartige Anordnung bedingten Abmessungsbegrenzungen überschritten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1 bzs. 11.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäss den wesentlichen Merkmalen der Erfindung enthält die Druckbarriere eines Gammathermometers, die eine oder mehrere thermische Widerstandszonen wie auch den Kern umgibt, einen äusseren Teil aus nichtrostendem Stahl oder aus Inconel und eine verhältnismässig dünne innere Einfassung aus Zircaloy. Die thermische Widerstandszone wird durch die Kammer eines herkömmlichen Gammathermometers oder durch einen axialen Hohlraum

im Körper eines Gammathermometers der in der angegebenen Patentschrift beschriebenen Bauart gebildet. Überdies ist der wärmeerzeugende Kern oder Körper des Thermometers ebenfalls aus Zircaloy hergestellt.

Die Ausführungsform mit zwei Schichten der Druckbarriere gewährleistet den erforderlichen Widerstand, der den Bedingungen genügt, die im Brennelementbündel eines Druckwasserreaktors herrschen und die die Abmessungsbegrenzungen einer derartigen Anlage respektieren. Die innere umkleidung mit Zircaloy der Druckbarriere hat einen kleineren Querschnitt als diejenige des Kerns aus Zircaloy und verhindert eine durch gasförmigen Wasserstoff erfolgende Verunreinigung der thermischen Widerstandszone, die entweder als unter Vakuum stehender Raum oder als mit einem Gas gefüllter Raum vorliegt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt eines Gammathermometers gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 3 einen teilweisen Längsschnitt eines Gammathermometers herkömmlicher Bauart, bei dem eine weitere Ausführungsform der Erfindung angewendet ist.

Fig. 1 zeigt ein Gammathermometer der Bauart, wie sie in der genannten FR-PS EN 7905739 vom 6. März 1979 beschrieben ist.

Dieses Thermometer 10 befindet sich in einer Hochdruckumgebung, z. B. im Brennelementbündel eines Druckwasserreaktors, und enthält deshalb eine aussere und rohrförmige Druckbarriere 12.

Geschützt in dieser rohrförmigen Druckbarriere befindet sich eine Masse oder ein Körper 14/ der die Gammastrahlenabsorbiert und in Form eines langgestreckten einstückigen Kerns ausgebildet ist, in dem die Wärme erzeugt wird. Der Körper 14 hat eine zylindrische Form mit konstantem Durchmesser und ist in Messzonen unterteilt, die durch Abschnitte mit verringertem Durchmesser axial beabstandet sind. Diese Abschnitte bilden thermische Widerstandshohlräume 16. Ein biegsames thermoelektrisches Kabel 18 mit mehrfach Anschlüssen befindet sich in einer zentralen Bohrung des Körpers 14 zur Erzeugung von Differentialtemperatursignalen, die den örtlichen Wärmeflussgraden an den Messzonen Rechnung tragen. Die Widerstandshohlräume 16 sind unter Vakuum gesetzt oder mit einem Gas, etwa Argon, gefüllt, zur Bildung eines Bereichs mit verhältnismässig geringer Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der hohen Wärmeleitfähigkeit des Körpers 14.

Um das Feinvakuum innerhalb der Widerstandshohlräume aufrechtzuerhalten oder jegliche Verminderung der geringen Wärmeleitfähigkeit des Füllgases (sofern verwendet) zu verhindern, hat die rohrförmige Druckbarriere 22 eine besondere Ausführungsform gemäss der Erfindung. Diese Druckbarriere hat ein äusseres Teil 20 aus einem Material, wie nichtrostendem Stahl oder Inconel, das die erforderlichen strukturellen Eigenschaften aufweist, um das Gammathermometer zu tragen .und dessen Innenraum gegenüber der Hochdruckumgebung zu schützen. Dieser äussere Teil ist jedoch im allgemeinen für gasförmigen Wasserstoff durchlässig und gelegentlich einer Entgasung durch Wasserstoff bei erhöhten Temperaturbedingungen ausgesetzt, die bisher für die thermische Verschlechterung in den Widerstandshohlräumen verantwortlich sind. Eine Barriere 22 gegenüber dem gasförmigen Wasserstoff in Form einer dünnen Hülse aus gegenüber dem gasförmigen Wasserstoff undurchlässigem Material (etwa Zircaloy) bildet einen inneren Teil der rohrförmigen Barriere 12 und umgibt die Widerstandshohlräume 16. Wenn auch die Hülse 22 sich ihrerseits für gewöhnlich nicht für Anlagen eignet, die hohen Belastungen langer

Dauer unterworfen sind/ ist sie annehmbar, wenn sie mit dem äusseren Teil 22 der rohrförmigen Barriere verbunden ist. Das Zircaloy, aus dem diese Hülse hergestellt ist, hat alle gewünschten Eigenschaften entweder zum Zurückhalten des in den Widerstandshohlräumen herrschenden ünterdrucks oder zum Verhindern einer Verunreinigung durch den gasförmigen Wasserstoff des Füllgases (sofern dieser verwendet wird), da das Zircaloy den gesamten Wasserstoff absorbiert, der durch den äusseren Teil hindurchtreten kann. Der Querschnitt der Barriere 22 gegen den gasförmigen Wasserstoff ist merklich kleiner als derjenige des Körpers 14.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäss Fig. bildet eine rohrförmige nichtunterbrochene Hülle 20' aus nichtrostendem Stahl oder Inconel eine äussere Druckbarriere mit mehreren axial beabstandeten und dort ausgebildeten Ermittlungsabschnitten 24. Diese Ermittlungsabschnitte sind durch ein gemeinsames biegsames thermoelektrisches Kabel 18'mit Mehrfachanschlüssen miteinander verbunden. Weil diese Ermittlungsabschnitte nur durch das Kabel 18' miteinander verbunden sind, können sie auf Grund der Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten auf die Hülle 20' grosse Kräfte ausüben, sind aber trotzdem in guter thermischer Berührung mit dieser Hülle. Jeder Ermittlungsabschnitt hat einen Körper 14' aus Zircaloy mit einem Widerstandshohlraum 16'. Dieser Widerstandshohlraum ist von einer dünnen Hülse 22' aus Zircaloy umgeben, die als Barriere gegenüber dem gasförmigen Wasserstoff dient, um einen Schutz gegen die Verschlechterung des thermischen Widerstands des freien Raums durch den Wasserstoff zu gewährleisten.

Bei der dargestellten Ausführungsform von Fig. 3 ist ein Gammathermometer 26 herkömmlicher Bauart mit einer äusseren Druckbarriere 28 aus nichtrostendem Stahl oder Inconel versehen und innen mit einer Wasserstoffbarriere 30 aus Zircaloy begrenzt, um den erforderlichen Widerstand und den Schutz gegen

eine Verschlechterung einer Kammer 32 mit geringer Wärmeleitfähigkeit durch den Wasserstoff zu gewährleisten. Diese Kammer ist unter Vakuum gesetzt oder auch mit einem Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt. Innerhalb dieser Kammer befindet sich ein wärmeerzeugender Körper 34 aus Zircaloy. Ein Thermoelement 36 mit doppeltem Anschluss ist in diesem Körper 34 eingebettet.

Bei jeder der beschriebenen Ausführungsform bildet die Einfassung aus Zircaloy die Barriere gegen gasförmigen Wasserstoff. Wenn auch diese Barriere aus Wasserstoff verglichen mit dem Querschnitt des wärmeerzeugenden Kerns einen verhältnismässig kleinen Querschnitt hat/ bildet sie, verbunden mit dem äusseren Teil der Druckbarriere, eine Anordnung mit angemessener Struktur trotz der Abmessungsbeschränkungen des Reaktors, bei dem die Erfindung Anwendung findet.

Claims

Pafe'ntanw&lte 41o-33.272P 27. Jan. 1982

BEETZ & PARTNER

München 22

ELECTRICITE DE FRANCE (Service National)

75oo8 Paris - Frankreich

Gammathermometer für eine Hochdruckumgebung

Ansprüche

Gammathermometer für eine Hochdruckumgebung,

- mit einem wärmeerzeugenden Körper mit verhältnismässig hoher Wärmeleitfähigkeit,

- mit wenigstens einer thermischen Widerstandszone mit verhältnismässig geringer Wärmeleitfähigkeit und

- mit einer den Körper umgebenden Druckbarriere, die die Widerstandszone gegenüber der Hochdruckumgebung isoliert,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Druckbarriere (12) aufweist: einen äusseren Teil (20; 20'), dessen struktureller Widerstand verhältnismässig hoch ist, und eine innere Barriere (22, 22') bezüglich gasförmigem Wasserstoff, deren struktureller Widerstand verhältnismässig gering ist.

2. Gammathermometer nach Anspruch 1,
dadurch gekenn ζ e i chnet,

- dass die Barriere bezüglich des gasförmigen Wasserstoffs aus einer Hülse (22, 22') aus Zircaloy besteht, die den äusseren Teil (20, 20') innen begrenzt und die Widerstandszone (16, 16') umgibt.

410-B 74 194

3. Gammathermometer nach Anspruch 2/ dadurch gekennzeichnet/

- dass der Körper (14: 14') einen axialen Hohlraum (16; 16') aufweist, der die Widerstandszone bildet und aus Zircaloy besteht.

. Gamraathermometer nach Anspruch 3 / dadurch gekennzeichnet,

- dass der äussere Teil (20) der Druckbarriere (12) aus nichtrostendem Stahl besteht.

5. Gammathermometer nach Anspruch 4, dadurch gekennz eichnet,

- dass die Widerstandszone (16; 16') ein Unterdruckraum ist, der durch die Barriere (22; 22') bezüglich des gasförmigen Wasserstoffs unter Feinvakuum gehalten wird.

6. Gammathermometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Widerstandszone (16; 16') mit einem Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.

7. Gammathermometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet

- durch ein sich im Körper (14; 14') erstreckendes thermoelektrisches biegsames Kabel (18; 18').

8· Gammathermometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Körper (14) ein langgestreckter einstückiger Kern ist, in dem an axial beabstandeten Stellen mehrere Widerstandszonen in Form von Hohlräumen (16) ausgebildet sind, die von der Barriere (22) bezüglich des gasförmigen Wasserstoffs umgeben sind, die sich ohne Unterbrechung zwischen den axial beabstandeten Stellen erstreckt.

9. Gammathermometer nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,

- dass mehrere Körper (14·)_# in denen Widerstandszonen (16¹) ausgebildet sind, mehrere axial beabstandete Detektoren bilden, die von der rohrförmigen Druckbarriere (12) umgeben und durch das thermoelektrische Kabel (18¹) miteinander verbunden sind.

10. Gammathermometer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- dass die Barriere (22, 22') bezüglich des gasförmigen Wasserstoffs einen Querschnitt aufweist, der merklich kleiner als derjenige des Körpers (14, 14') ist, und

- dass der Körper (14, 14') und die Barriere (22, 22') bezüglich des gasförmigen Wasserstoffs aus Zircaloy bestehen.

11. Gammathermometer für eine Hochdruckumgebung,

- mit einem wärmeerzeugenden Körper mit verhältnismässig hoher Wärmeleitfähigkeit,

- mit einer ausseren Druckbarriere, die einen Bereich geringer Wärmeleitfähigkeit umgibt, in dem sich der Körper befindet, und

- mit einem Element, dass die Temperatur ermittelt und in den Körper eingebettet ist,

gekennzeichnet

- durch ein für gasförmigen Wasserstoff undurchlässiges Organ, das die äussere Druckbarriere (28) innen begrenzt und.die Verschlechterung der geringen Wärmeleitfähigkeit dieses Bereichs verhindert.

12. Gammathermometer nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,

- dass der Bereich eine Kammer (32) ist, die von der äusseren Druckbarriere (28) und vom gegenüber dem gasförmigen Wasserstoff undurchlässigen Organ (30) umgeben ist.